专利名称：具有用铱基合金形成的电极尖端的点火装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及火花塞和在内燃机中使用的其它点火装置，特别涉及具有贵金属点火尖端的点火装置。本文所使用的术语“点火装置”意思是火花塞、点火器以及其它用于启动燃气或燃料内燃机的装置。
背景技术：
多种铱基合金已经被建议用于火花塞电极以增加电极的点火表面的抗腐蚀性。铱基合金典型地具有相对较高的熔点并且具有比现今广泛使用的许多金属更好的耐受火花腐蚀的性能。铱基合金典型地以衬垫(pad)或铆钉(rivet)的形式被使用，这里的衬垫或铆钉以激光焊接或其它冶金焊接方式连接到位于火花隙(spark gap)任一侧的中心电极和接地电极。但是某些铱基合金的使用存在着公知的缺点，包括将铱基合金材料连接到电极的困难性以及合金在较高温度下的氧化挥发。本发明致力于这两个问题中的后一个。
一种已知的用于降低铱的氧化损耗的方法是以与铑组合的合金的形式使用铱。Osamura等人的第6,094,000号美国专利和公布的英国专利申请GB2,302,367披露了这样一种合金，该合金中可以包括含量为1-60wt％的铑。也可在其中加入诸如钇或锆等3A和4A族元素的氧化物，用以帮助实现降低消耗的抵抗性。虽然Osamura等人教导出可以使用含量低至1％的铑，但已经发现在较高温度下使铱的氧化损耗最小化需要更多量的铑。这在Osamura等人提出的实验数据中得到证实，并且在他们的专利中声称铑的含量优选地为至少3％。Matsutani等人的第5,793,793号美国专利公布了相似的发现，其中铑的含量保持在3-50wt％范围内，并且最优选地为至少18％。在第5,998,913号美国专利中，Matsutani确认了包含高百分比的铑的一些缺点，试图降低合金中铑的含量，并提议加入铼或钌。按照该专利，通过加入含量至多达17wt％铼和/或钌，需要维持好的抗氧化损耗的铑的数量可降到仅0.1wt％。
发明人发现，在包含铑、钨、锆的铱合金中可以降低铑的份量，同时仍可保持优良的抗腐蚀性，并且降低了点火电压。可参见公布于2004年1月22日的WO 2004/007782Al和WO 2004/008596A2。WO 2004/007782A1公开了一种铱基合金的火花塞电极，其中合金可包括0.1-5wt％的铑、0.01-5wt％的钨和0.01-0.5wt％的锆。除了以上元素的上述较宽的范围，该申请还公开了包括2.5wt％的铑、0.3wt％的钨和0.07wt％的锆的具体实施例。WO2004/008596A2也公开了该配方，但其公开的范围略大，即1-3wt％的铑、0.1-0.5wt％的钨和0.05-0.1wt％的锆。
发明内容
本发明致力于一种点火装置，其具有一对限定出其间的火花隙的电极，所述电极的至少一个包括由铱、铑、钨和锆的合金形成的点火尖端，其中当钨的量保持在0.3wt％并且铑的量被降低到约2wt％时，锆的量应保持在0.05wt％以下，优选为0.02wt％。发明人发现铑的含量下降到2wt％、并且锆的含量下降到0.02wt％后，意外地得到了比上述在先申请中公开的具体配方更好的总体结果。所述的意外结果包括将合金形成为小直径(例如，0.7毫米)的电极线时合金具有更好的可加工性，以及具有与在先的具体配方相比同样优良或略优的火花塞工作性能。
附图的简要说明下面将结合附图对本发明的优选的示例性实施方案进行描述，在附图中相同的标号指代相同的部件。
图1是根据本发明的优选实施方案构造的火花塞的片断图(fragmentaryview)和局部剖视图；图2是可用于代替在图1所示火花塞上使用的点火尖端衬垫的铆钉的侧视图；以及图3表示可用于代替图1所示的点火尖端衬垫的导线。
优选实施方案的说明参照图1，其中示出了火花塞10的工作端，它包括金属套或罩壳12、固定在罩壳内的绝缘体14、中心电极16、接地电极18以及一对分别位于中心和接地电极16和18上并相互相对的点火尖端20和22。罩壳12可按传统的方式构造，并可包括带有环形下端26的标准螺纹24，接地电极18被焊接或连接至环形下端26。类似地，火花塞10的所有其它部件(包括那些没有示出的部件)可使用公知技术和材料构造，当然除了如下所述的以点火尖端20和/或22构造的接地和/或中心电极16、18之外。
公知地，罩壳12的环形端26限定出开口28，绝缘体14通过开口28突出。中心电极16通过玻璃封口或使用其它合适的技术被永久地安装在绝缘体14内。它通过外露的轴向端30从绝缘体14伸出。接地电极18是传统的九十度弯管的形式，该弯管的一端32机械地和电气地连接到罩壳12，其另一端34终止于与中心电极16相对处。自由端34包括接地电极18的点火端，该点火端连同中心电极16的相应的点火端一起定出了其间的火花隙36。
点火尖端20和22分别位于各自的电极16和18的点火端，从而它们可提供点火表面以用于发射和接收穿过火花隙36的电子。这些点火端以剖面形式示出，其目的是表示在本实施方案中的包括焊接到点火端上适当位置的衬垫的点火尖端。如图所示，点火尖端20和22可焊接到各自电极上的局部凹槽内。可选地，这些衬垫的一个或两个都可在其相关的电极上完全凹入，或者可被焊接到电极的外表面上而完全不凹入。
每个点火尖端用包含铱、铑、钨和锆的合金构成。优选地，该合金由铱、1-3wt％的铑、0.1-0.5wt％的钨、0-0.5wt％的锆以及不超过少量的其它物质组合而成。这里，“少量”的意思是未确定的基底金属和PGM(铂族金属)杂质的组合的最大值为2000ppm。优选地，锆的量被保持为大于0.01wt％(i.e.，0.01-0.05wt％)，更优选地，在0.01-0.04wt％的范围内，当锆的量的范围为以上任意一个时，铑的量优选在1.5-2.5wt％的范围内，并且钨的量优选在0.25-0.35wt％的范围内。在一非常优选的实施方案中，该合金由约2.0wt％的铑、约0.3wt％的钨、约0.02wt％的锆、以及具有不超过微量其它物质的铱构成。该合金可通过公知方法制成，例如将所需数量的铱、铑、钨和锆熔合在一起。如本领域技术人员公知的那样，在熔合以后，该合金可通过粉化过程被转变为粉末形式。然后粉末化的合金可被均衡地压成固体形式，如果需要，可使用二次成形操作来得到所需的最终形态。
实现这些步骤的技术和过程是本领域技术人员所公知的。
虽然这些电极可直接由合金制成，但优选地，它们可单独地由更传统的导电材料形成，同时用合金形成点火尖端以便随后连接到上述电极。一旦点火尖端和电极都形成，点火尖端随后通过冶金接合(例如激光焊接、激光连接或其它适当的方式)被永久连接(机械地和电气地)到它们相关的电极。这样可导致每个电极具有为该电极提供外露的点火表面的集成的点火尖端。激光焊接可按照本领域技术人员公知的大量技术的任何一种进行。激光连接包括通过用激光熔化电极材料以便其能流入点火尖端的凹槽或者其它表面特征中并随后使电极凝固和锁定在点火尖端的适当位置，从而形成电极与点火尖端的机械互锁。这种激光连接技术在欧洲专利局公开号为EP 1286442A1中得到更充分地描述，其全部公开内容通过引用并入本文。
可以理解，点火尖端20和22不一定必须为衬垫，其也可为铆钉40(如图2所示)、导线(如图3所示)、球(未示出)的形式或者任何其它适当形状。虽然在图2中示出的是圆形端的铆钉，但是也可以使用具有圆锥形或截头圆锥形头部的铆钉。如图3所示，点火尖端可以(但不是必须)包括一个或多个表面特征，例如凹槽44，以允许利用前面所述的激光连接技术使点火尖端与电极互锁。这些多种类型的点火尖端的结构和安装是本领域技术人员所公知的。而且，虽然中心电极和接地电极的点火端在图中都被示出为具有用铱/铑/钨/锆合金形成的点火尖端，但可以理解该合金可仅用于这两个电极中的一个。另一个电极可在不具有点火尖端的情况下使用，或者可包括用其它贵金属或贵金属合金形成的点火尖端。例如，在一个实施方案中，中心电极点火尖端20可用铱/铑/钨/锆合金形成，而接地电极点火尖端20可由铂或铂合金形成。
如在发明人以前所公布的申请WO 2004/007782A1和WO2004/008596A2中所讨论的，铑、钨、锆、铱的组合所获得的合金展示了优良地防氧化损耗的特点，并且在上述公布的申请里公开的合金可以在使用相对少量铑的情况下仍保持上述优点。在本发明中，发明人减少了上述公布的申请里所公开的具体配方中的铑的含量，一般认为这种改变将会降低火花塞应用中的性能。但是，试验意外地显示了，此处所公开的使用同样份量的钨，2wt％的铑和0.02wt％的锆的合金样品与早期的配方相比，可提供具有同样优良或略优性能的火化塞电极，同时在用于将金属成形为细金属丝火化塞电极的金属形成操作中，合金更不易于撕裂和破裂。因此本发明提供至少相同优良的抗火花和氧化消耗性能，同时还改进了将合金拉制和/或以其他方式成形为火化塞电极时的可加工性。
显而易见，按照本发明提供了一种点火装置和制造该点火装置的方法，其能够获得本文描述的目的和有益效果。当然，可以理解，前面的描述是关于本发明的优选示例性实施方案的，本发明并不局限于特定描述的实施方案。对本领域的普通技术人员而言，各种变换和修改都是显而易见的。例如，虽然已经描述了火花塞形式的点火装置，但应理解，本发明也可应用于这样一类点火器，其中点火发生在穿过位于中心电极与环形接地电极之间的半导体材料的表面处。所有这些变换和修改都包含在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种用于内燃机的点火装置(10)，包括罩壳(12)；绝缘体(14)，其固定在所述罩壳(12)内，并且在所述罩壳的开口(28)处具有外露的轴向端(30)；中心电极(16)，其安装在所述绝缘体(14)中，并且穿过所述轴向端(30)从所述绝缘体(14)伸出；以及接地电极(18)，其安装在所述罩壳(12)上，并且终止于处在与所述中心电极(16)相对的位置处的点火端(34)，从而定出其间的火花隙(36)；其特征在于，所述电极(16，18)的至少一个包括由含有铱、铑、钨和锆的合金形成的点火尖端(20，22)，所述锆的成份少于0.05wt％。
2.如权利要求1所述的点火装置，其特征在于所述合金由铱与1-3wt％的铑、0.1-0.5wt％的钨以及0.01-0.05wt％的锆的组合物形成。
3.如权利要求1所述的点火装置，其特征在于所述合金由铱与约2wt％的铑、约0.3wt％的钨以及约0.02wt％的锆的组合物形成。
4.如权利要求1所述的点火装置，其特征在于所述点火尖端(20，22)在所述火花隙(36)处被冶金地接合到所述中心电极(16)。
5.如权利要求4所述的点火装置，其特征在于所述点火尖端(20，22)包括一段导线(42)，其通过激光连接接合至所述中心电极(16)。
6.如权利要求4所述的点火装置，其特征在于所述接地电极(18)的所述点火端(34)包括点火尖端(22)，其位于与所述中心电极(16)的点火尖端(20)相对的位置处。
7.如权利要求6所述的点火装置，其特征在于所述接地电极(18)上的所述点火尖端(22)包括铂或铂合金。
8.如权利要求7所述的点火装置，其特征在于所述中心电极(16)上的所述点火尖端(20)由铱与1-3wt％的铑、0.1-0.5wt％的钨以及0.01-0.05wt％的锆的组合物形成。
9.如权利要求7所述的点火装置，其特征在于所述中心电极(16)上的所述点火尖端(20)由铱与约2wt％的铑、约0.3wt％的钨以及约0.02wt％的锆的组合物形成。
10.如权利要求1所述的点火装置，其特征在于所述点火装置包括火花塞(10)。
11.如权利要求1所述的点火装置，其特征在于所述点火尖端(20，22)基本上由铱、铑、钨和锆组成。
12.如权利要求11所述的点火装置，其特征在于所述中心电极和接地电极(16，18)包括基本上由铱、铑、钨和锆组成的点火尖端(20，22)。
13.如权利要求11所述的点火装置，其特征在于所述点火尖端(20，22)由合金制成，所述合金由铱与1-3wt％的铑、0.1-0.5wt％的钨以及0.01-0.05wt％的锆的组合物形成。
14.如权利要求11所述的点火装置，其特征在于所述点火尖端(20，22)由合金制成，所述合金由铱与约2wt％的铑、约0.3wt％的钨以及约0.02wt％的锆的组合物形成。
15.一种制造点火装置(10)的电极(16，18)的方法，所述点火装置(10)具有罩壳(12)、第二电极(16，18)以及安装在所述罩壳(12)内用于支撑所述两个电极(16，18)并使其电绝缘的绝缘体(14)，所述方法包括如下步骤(a)用包含铱、铑、钨和0.01-0.05wt％的锆的合金形成点火尖端(20，22)，(b)用不同于所述合金的导电材料形成电极(16，18)，以及(c)将所述点火尖端(20，22)连接到所述电极(16，18)的端部，由此为所述电极提供集成的点火尖端，所述集成的点火尖端为所述电极提供外露的点火表面。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述步骤(a)进一步包括用合金形成所述点火尖端(20，22)，所述合金由铱与1-3wt％的铑、0.1-0.5wt％的钨以及0.01-0.05wt％的锆的组合物制成。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述步骤(a)进一步包括用合金形成所述点火尖端(20，22)，所述合金由铱与约2wt％的铑、约0.3wt％的钨以及约0.02wt％的锆的组合物制成。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述步骤(a)进一步包括将所述点火尖端(20，22)形成为衬垫、铆钉、球或导线。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述步骤(c)进一步包括用激光连接将所述点火尖端(20，22)接合到中心电极(16)的端面上。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述步骤(c)进一步包括将所述点火尖端(20，22)连接到接地电极(18)的端部上。
21.一种用于内燃机的点火装置(10)，包括罩壳(12)；绝缘体(14)，其固定在所述罩壳(12)内，并且在所述罩壳的开口(28)处具有外露的轴向端(30)；中心电极(16)，其安装在所述绝缘体(14)中，并且穿过所述轴向端(30)从所述绝缘体伸出；以及接地电极(18)，其安装在所述罩壳(12)上，并且终止于处在与所述中心电极(16)相对的位置处的点火端(34)，从而定出其间的火花隙(36)；其特征在于，所述电极(16，18)的至少一个包括由含有铱、1-3wt％的铑以及少于0.05wt％含量的锆的合金形成的点火尖端(20，22)。
22.如权利要求21所述的点火装置，其特征在于所述合金包括0.1-0.5wt％的钨。
23.如权利要求21所述的点火装置，其特征在于所述合金由铱与约2wt％的铑、约0.3wt％的钨以及约0.02wt％的锆的组合物形成。
24.如权利要求21所述的点火装置，其特征在于所述点火尖端(20，22)通过激光连接接合至所述中心电极(16)。
25.如权利要求24所述的点火装置，其特征在于所述接地电极(18)包括由铂或铂合金形成的点火尖端(22)。
26.如权利要求21所述的点火装置，其特征在于所述中心电极和接地电极(16，18)包括由所述合金形成的点火尖端(20，22)。
全文摘要
一种诸如火花塞(10)的点火装置，其具有接地电极和中心电极(16，18)，所述电极中的至少一个包括由含有铱、铑、钨和锆的合金形成的点火尖端(20，22)。由于该合金中包含了钨和锆，所以可在将铑的百分比保持在相对低水平的情况下，不牺牲该点火尖端的抗腐蚀性或降低的点火电压。在一个实施方案中，点火尖端(20，22)包含2％的铑、0.3％的钨、0.02％的锆和剩余的铱。
文档编号H01T1/00GK101057378SQ200580029270
公开日2007年10月17日 申请日期2005年7月25日 优先权日2004年7月23日
发明者保罗·廷威尔, 居尔代夫·奥杰拉, 罗宾·海德, 邓肯·R·库普朗德 申请人:联邦摩古点燃(英国)有限公司, 詹森·马泰公共有限公司